Материал: расчеты теплооборуд

=[(6,94–W1)3082(111,3–135,7)+W2 (2678000 – 4230·111,3)], W =W1+W2=6,07 кг/с.

Решая три уравнения с тремя неизвестными, получаем: W1=3,0 кг/с;

W2=3,07 кг/с; Dгр.п=3,14 кг/с; Q1 =6499904 Вт; Q2=6479816 Вт.

Проверяем правильности распределения количества упаренной воды по корпусам. Ранее было принято, что W1=W2=3,035 кг/с. При расчете получено отклонение для первого корпуса (3,035–3,0)/3,0=0,0116 (1,16%); для второго корпуса (3,07–3,035)/3,035=0,0115 (1,15%), что соответствует правильности сделанных допущений в пределах принятых ошибок не более 5%.

Определение поверхности нагрева корпусов

Расчет необходимой поверхности теплообмена производится по основному уравнению теплопередачи, из которого, применительно к

Здесь α1 и α2–коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара и от стенки к кипящему раствору, соответственно, Вт/(м2·0К); Σδ/λ-сумма термических сопротивлений стенки δст/λст и загрязнений со стороны обеих теплоносителей r1 и r2;

сопротивление стенки труб из нержавеющей стали толщиной δст=2 мм теплопроводностью 17,5 Вт/(м0К), δст /λст=1,14·10-4 (м2·0К)/Вт.

Тогда

Σδ/λ=8·10-5+1,14·10-4+2·10-4 =3,94·10-4 (м2·0К)/Вт.

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара снаружи вертикальных труб, количество которых неизвестно, рассчитывается по

формуле

где r–теплота парообразования при давлении греющего пара, Дж/кг; ρв, λв, μв - плотность, кг/м3, теплопроводность, Вт/(м0К) и вязкость конденсата (воды),

Па·с; Н–высота труб, м; t –движущая сила процесса конденсации.

Расчеты коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи по корпусам

С достаточно небольшой погрешностью за определяющую принимаем температуру пленки конденсата tпл, которая на (1÷2)0С меньше температуры

конденсирующегося водяного пара, т.е. tпл=150 0С. Высоту труб принимаем Н=4 м для данного типа аппарата.

где tст-перепад температур на стенке со стороны пара и кипящего раствора;

t - разность температур поверхности стенки и кипящего раствора.

Тогда

t**=15,93–7,17–2=6,76 0С.

Коэффициент теплоотдачи от стенок труб к кипящему раствору для режима пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубах при условии естественной циркуляции раствора

где λ, ρ, σ, с, μ-теплопроводность, плотность, поверхностное натяжение, Н/м, теплоемкость и вязкость; индексы р и п относятся к раствору при температуре кипения и вторичному пару при давлении в сепараторе; 0 – к пару при 1 ата; rвт.п –теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг. Теплофизические свойства конденсата (воды) и кипящих растворов сульфата

аммония по корпусам представлены в таблице 4.5.

А=780(0,687139920,51,6180,06)/0,05180,521710000,60,5790,6638500,30,000220,3), А=16,24.

По формуле (4.23)

q1=9036·2=18072 Вт/м2,

тогда по формуле (4.26)

α2 =16,24(18072)0,6=5818 Вт/(м2·0С).

Проверка правильности первого приближения

q2 =5818·6,81=39620 Вт/м2.

Пренебрегая изменением теплофизических свойств конденсата при изменении

температур на 1 0C, α1 определится по соотношению α1=9036(2/3)0,25=8165 Вт/( м2·0С).

Тогда по уравнениям (4.23) - (4.26) tст.=8165·3·3,97·10-4=9,72 0С; t**=15,93–3–9,65=3,21 0С;

α2=16,24(8165·3)0,6=6983 Вт/(м2·0С); q1=8165·3=24495 Вт/м2; q2=6983·3,28=22905 Вт/м2.

Ошибка: (24495 – 22905)/24495=0,065 или 6,5 %.

Такое расхождение, более 3%, недопустимо, поэтому проводим третье приближение. Для этого строим график зависимости тепловой нагрузки в первом q1=f( t*) и во втором q2=f( t*) случаях от принятого частного

температурного напора со стороны пара t* (рис.4.1). Откуда принимаем t*=2,85 0С.

Тогда

α1=9036(2,85)0,25=8270 Вт/(м2·0С); tст=8270·2,85·3,94·10-4 =9,3 0С; t**=15,93 – 2,85 – 9,3=3,8 0С;

α2 =16,24(8270·2,85)0,6=6823 Вт/(м2·0С); q1=8270·2,85=23570 Вт/м2; q2=6823·3,8=23198 Вт/м2.

Ошибка: (23570–23198)/23570=0,016 или 1,6%, что вполне допустимо.

Коэффициент теплопередачи для первого корпуса по уравнению (4.19)

К1=1/(1/8270+3,94·10-4+1/6823)=1515 Вт/(м2·0С).

Для второго корпуса расчеты проводятся аналогично при соответствующих параметрах пара, конденсата и раствора (таблицы 4.3 и 4.5).

Принимаем для второго корпуса t*=4,5 0С.

Тогда коэффициент теплоотдачи от пара к стенкам труб по уравнению

(4.22)

α1=2,04[2171000·9322 ·0,6863/(0,207·10-3·4·4,5)]0,25=7295 Вт/(м2·0К).

Коэффициент А в уравнении (4.26)

А=780(0,5901,311910,51,7270,06)/0,09690,522620000,60,5790,6631200,30,0008650,3) А = 9,5 По уравнениям (4.24) –( 4.26)

tст=7295·4,5·3,94·10-4=12,93 0С, t**=21,6–4,5–12,93=4,17 0С,

α2 =9,5(7295·4,5)0,6 =4869 Вт/(м2·0С), q1=7295·4,5=32828 Вт/м2, q2=4869·4,17=20393 Вт/м2.

Так как q1 > q2, уменьшаем принятое ранее t* до 3,5 0С.

Тогда

α1=7295(4,5/3,5)0,25=7768 Вт/(м2·0С), tст=7768·3,5·3,94·10-4=10,71 0С, t**=21,6–3,5–10,71=7,39 0С, α2=9,5(7768·3,5)0,6=4348 Вт/(м2·0С), q1=7768·3,5=27188 Вт/м2 q2=4348·7,39=32132 Вт/м2

По рассчитанным значениям строится график q1=f( t*) и q2=f( t**) (рис.4.2), по которому определяется новое значение t*=3,76 0С.

Тогда коэффициент теплоотдачи от пара к стенкам труб во втором корпусе

α1=7295·(4,5/3,76)0,25=7630 Вт/(м2·0С); tст=7630·3,76·3,94·10-4 =11,3 0С; t**=21,6–3,76–1,3=6,54 0С; α2=9,5(7630·3,76)0,6=4491 Вт/(м2·0С); q1=7630·3,76=28689 Вт/м2; q2=4491·6,54=29371 Вт/м2.

Ошибка: (29371–28689)/29371=0,023 или 2,3%, что вполне допустимо.

Коэффициент теплопередачи для второго корпуса К2=1/(1/7630+3,94·10-4 +1/4491)=1333 Вт/(м2·0С).

Таблица 4.5

Теплофизические свойства конденсата (воды)

и кипящих растворов сульфата аммония по корпусам

Примечание: в аппаратах с вынесенной зоной кипения (тип 1 исп.3) и с принудительной циркуляцией раствора (тип 2 исп.1 ) кипения раствора в трубах не происходит. Поэтому коэффициент теплоотдачи от стенки труб к

раствору рассчитывается по критериальному уравнению для теплообмена без изменения агрегатного состояния при вынужденном турбулентном режиме движения (формула 3.6). Определяющая температура – температура кипения, определяющий размер – внутренний диаметр труб. Определяющая скорость 2

– 3 м/с.

Рис. 4.1. К определению движущей силы процесса теплоотдачи t* при конденсации пара в первом корпусе

Рис. 4.2. К определению движущей силы процесса теплоотдачи t* при конденсации пара во втором корпусе